손다솜
(Dasom Son)
1iD
김범휘
(Beom Hwi Kim)
1iD
박지윤
(Jiyoon Park)
1iD
이종구
(Chongku Yi)
2†iD
-
고려대학교 건축사회환경공학부 대학원생
(Graduate Student, School of Environment and Architectural Engineering, Korea University,
Seoul 02841, Rep. of Korea)
-
고려대학교 건축사회환경공학부 교수
(Professor, School of Environment and Architectural Engineering, Korea University,
Seoul 02841, Rep. of Korea)
Copyright © Korea Concrete Institute(KCI)
키워드
알루미나 시멘트, 고강도 그라우트, 압축강도, 해양공사, 시공성
Key words
alumina cement, high strength grout, compressive strength, marine construction, workability
1. 서 론
그라우트는 지반 보강을 목적으로 개발된 재료로서 시멘트 모르타르, 콘크리트 보다 유동성이 높고 무수축성, 고강도와 같은 성능을 지닌다는 장점이 있다.
그라우트 개발 초기에는 포틀랜드 시멘트를 기반으로 제조되었으나 현재는 시공 현장 특성에 맞추어 혼화재 등 다양한 재료를 이용한 그라우트(grout)가
연구되었다.
그 중 알루미나 시멘트를 기반으로 한 그라우트는 속경성, 내구성, 조기강도가 우수하여 내화, 내화학성, 급속 시공이 요구되는 현장에 사용될 목적으로
제조되고 있다(Güllü et al. 2017; Li et al. 2017; Liu and Chen 2019).
유럽의 경우 1990년대 중반부터 해상풍력발전 사업이 발달하였기에 관련 설계기준(DNV-GL)이 정립되어 있으며, 설계기준은 최소 80 MPa를 요구하고
있다. 따라서 유럽의 그라우트 제조 회사들은 최소 설계기준 이상을 만족하는 110 MPa수준의 고강도 그라우트를 개발하였으며 MacLeay and Hodgson(2019)는 재령 28일 압축강도 110 MPa를 충족하는 고강도 그라우트를 수급하여 실제 해상환경에 적용할 수 있는 지에 대해 검토하였다.
이후로 해양공사에 대한 높은 관심으로 인해 Fu et al.(2020)는 해상에 노출된 복합체에 염화물침투가 기계적 특성에 미치는 영향을 분석하였으며, PHC(prestressed high-strength concrete)
말뚝을 해상 환경에 노출시켜 PHC 말뚝의 수명 예측 연구를 수행한 Li et al.(2020), 해상 환경에 노출된 콘크리트의 구조적 특성 분석 및 수화반응, 복합체 상변화를 분석한 Qu et al. (2021a)와 같은 연구가 수행되었다(MacLeay and Hodgson 2019; Fu et al. 2020; Li et al. 2020; Qu et al. 2021a, 2021b).
최근 국내에서도 풍력발전 사업이 육상에서 해상으로 확대됨에 따라 해양 공사에 대한 관심이 높아졌다.
이로 인해 국내 제조사들도 알루미나 시멘트를 기반으로 한 고강도 그라우트를 생산하기 시작했으나 현재까지 현장에 적용된 사례가 전무한 상태이다(Lim and Ha 2015).
알루미나 시멘트를 구성하는 칼슘 알루미나계 성분들은 물과 빠르게 반응하기 때문에, 초기에 높은 수화열이 발생한다. 따라서, 높은 수화열로 인해 균열이
발생하여 품질이 저하될 수 있다는 단점이 있으나 Hong et al.(2011)의 알루미나 시멘트에 무수석고를 혼합한 복합체의 수화특성 및 팽창 특성을 분석 연구, Choi et al.(2021)의 알루미나 시멘트의 반응 특성을 고려한 수화반응에 적합한 석고 및 혼입율 선정 연구를 통해 알루미나 시멘트의 품질을 개선할 수 있는 것으로 알려져
있다.
이 외에도 포틀랜드계 시멘트에 플라이애시 및 고로슬래그 미분말을 혼입하여 재료 내 Al2O3의 비율을 높인 복합체의 해수침식에 대한 저항성 향상 연구를
진행한 Moon et al. (2001), 저온환경에서의 알루미나 시멘트 초기 발열 및 강도발현 특성을 분석한 Park and Ki(2017), 황산염 침식에 따른 칼슘 알루미나 시멘트 복합체를 분석한 Lee and Ann(2018)과 같이 알루미나 시멘트와 관련된 연구는 다양하게 수행되었으나 알루미나 시멘트를 기반으로 한 그라우트의 연구자료는 부족한 수준이다 Moon et al. 2001; Hong et al. 2011; Park and Ki 2017; Lee and Ann 2018; Choi et al. 2021).
본 연구에서는 국산 고강도 그라우트의 해상 적용 가능성을 판단하기 위해 사용 환경(양생수, 양생 온도)이 그라우트 성능에 미치는 영향을 살펴보았다.
2022년 기준 해수면의 최저 온도는 서해 4.8 °C, 남해는 11.94 °C를 기록하고 있으며, 시공이 이루어지는 3~4월은 서해 6.52 °C
남해 12.80 °C로 최저기온 대비 약 2~3 °C 높게 나타나고 있다(KMA 2018).
해수 온도 데이터를 참조하여 양생온도 20 °C, 5 °C, 양생수 담수와 해수 환경에서의 응결시간, 압축강도, 등온 전도 열량측정법, 주사전자현미경(scanning
electron microscope, SEM) 등의 실험을 진행하여 실제 해상풍력발전 단지 시공 시 발생할 수 있는 문제에 대해 파악하고, 그라우트
사용 가능성에 대한 검증을 수행하였다.
2. 실 험
2.1 실험재료
본 실험에는 국내 U사에서 제조된 그라우트 2종을 사용하였으며, 해당 그라우트는 28일차 설계기준강도 80 MPa, 90 MPa을 목표로 제조되었다.
실험에 사용된 해수는 풍력발전사업이 예정 되어있는 여수에서 수급하였다.
수급한 그라우트 재료는 체가름 시험을 진행하였고, 잔골재로 추정되는 150 um 이상의 입자를 제거한 후 입도분석을 의뢰하였다. 또한 150 um
이상의 입자를 제거한 재료를 유발과 유봉을 이용해 분쇄하여 XRF(X-ray fluorescence), XRD (X-ray diffraction)분석을
scan range 10~80°, scan rate 2°/min, 40 kV/200 mA 조건으로 입도분석과 함께 강원대학교 삼척캠퍼스 공동실험실습관에
의뢰하였다.
Fig. 1은 체가름 시험과 150 um 사이즈 이하의 입도분석 결과이며, Table 1은 XRF, Fig. 2 XRD 분석 결과이다.
Fig. 1의 150 um 이하 입자에 대한 입도분석 결과 H1의 경우 4~60 um 사이에 넓게 분포되어 있으며 평균 입자 사이즈는 37.1 um이며 38
um 이하 미립자로 추정되는 구간에서 6.7 %의 비율을 보였다.
Fig. 1 Result of sieve analysis and particle size analysis
Table 1 Chemical composition of grout
|
Property
|
|
H1
|
H2
|
|
Chemical
|
SiO$_{2}$
|
12.42
|
10.33
|
|
Al$_{2}$O$_{3}$
|
18.06
|
13.10
|
|
CaO
|
44.99
|
51.70
|
|
MgO
|
2.15
|
1.62
|
|
Fe$_{2}$O$_{3}$
|
1.19
|
1.47
|
|
SO$_{3}$
|
19.37
|
19.39
|
|
K$_{2}$O
|
0.459
|
0.579
|
|
Na$_{2}$O
|
0.172
|
0.257
|
|
TiO$_{3}$
|
0.617
|
0.579
|
|
Loss on ignition
|
0.572
|
0.975
|
H1의 경우 입자들의 분포가 2~10 um, 20~50 um 두 구간에 분포되어 있으며, 평균 16.7 um 수준의 입자 크기를 갖는다. H2의 경우
H1과 다르게 15~60 um 구간에 주로 분포되어 있으며 입자 크기는 평균 17 um 수준인 것을 확인하였다.
Fig. 2의 XRD 결과에서 H1은 Dolomite, Anhydrite의 Intensity peak이 높게 나타나지만, H2 경우 H1 대비 -68.3
% 낮은 Intensity peak이 나타나는 것을 보아 H1의 미립자는 Dolomite, Anhydrite로 구성된 것으로 추정된다.
분석결과를 통해 수급한 그라우트가 알루미나 시멘트를 기반으로 제조된 것임을 추정할 수 있다.
Fig. 2 XRD analysis of grout H1 and H2 with aggregate removed
2.2 실험방법
2.2.1 배합방법
각 그라우트 별 W/S는 H1은 0.15, H2는 0.16이며, 양생 온도에 따른 시편분류는 상온 재료, 상온 양생의 경우 RT(room temperature),
저온 재료, 저온 양생의 시편은 LT(low temperature)로 지정하였다.
또한 양생수에 따라 담수는 TW(tap water), 해수는 SW(sea water)로 분류하였으며 시편 표기는 Table 2와 같다.
Table 2 Mixing and curing condition schemes
|
Specimen
|
W/B
(%)
|
Materials & Curing temperature
(°C)
|
Curing water
|
Specified strength
(MPa)
|
|
TWRTH1
|
0.15
|
20
|
Tap water
|
80
|
|
TWLTH1
|
5
|
|
SWRTH1
|
20
|
Sea water
|
|
SWLTH1
|
5
|
|
TWRTH2
|
0.16
|
20
|
Tap water
|
90
|
|
TWLTH2
|
5
|
|
SWRTH2
|
20
|
Sea water
|
|
SWLTH2
|
5
|
RT 시편에 사용된 재료(그라우트, 배합수, 양생수)의 경우 항온항습기를 통해 맞춰진 20 °C의 실험실 환경에 보관한 후 실험을 진행하였으며, LT
시편 또한 5 °C의 환경으로 맞춰져 있는 Climate chamber에 24h 보관 후 사용하였다.
2.2.2 플로우 & 응결시간 시험
플로우 및 응결시간은 국내 고강도 무수축 그라우트에 대한 기준이 없으므로 수급 그라우트에 적용 가능 할 만한 KS F 4044(KATS 2019)의 기준을 참고하여 실험을 진행하였다.
응결 시험은 RT시편의 경우 20 °C의 환경에서 자동식 비카트 시험장치(HJ-TCM-0048A)를 이용하여 측정하였고, LT 시편의 경우 KS F
4044(KATS 2019)에 준하여 항온항습기 내에 비카트 시험장치를 설치하여 5 °C의 환경에서 측정하였다.
플로우 시험은 측정은 시간 흐름에 따른 반죽질기 변화를 확인하기 위해 10분, 30분, 60분, 120분 별로 진행하였다.
2.2.3 수화열 시험
수화열 측정기(Calmetrix2000)를 이용하여 시험환경에 따른 그라우트의 수화열을 측정하였다. RT의 경우 20 °C, LT의 경우 5 °C의
환경에서 측정해야 했으나 해당 측정기가 10 °C 환경 이하에선 측정이 불가하여 15 °C, 10 °C의 환경에서 72h 측정하여 10 °C, 15
°C, 20 °C 별 추이를 확인하였다.
2.2.4 휨 강도&압축강도 시험
휨 강도 및 압축강도 시험은 KS F 2476(KATS 2019b)에 따라 시편을 제작하였다.
2.2.5 SEM 및 XRD 수화생성물 분석
제작된 시편의 양생 후 수화물 관찰 및 수화 반응생성물을 평가하기 위해 SEM 및 XRD를 실시하였다.
시편은 재령 28일차 압축강도 실험에 사용된 시편을(40× 40×160 mm) 이용하였으며, 분석에는 담수, 해수 환경에서 양생 된 상온 시편을 사용하였다.
SEM Image 분석을 위해 5×5×2 mm의 크기로 시편을 채취한 후, 내부 습기를 제거하기 위해 자연 순환 건조기를 이용하여 30 °C의 환경에서
72hr 건조 시켰다.
XRD Pattern 분석을 위해 유발과 유봉을 이용하여 시편을 분말상태로 분쇄한 후 강원대학교 삼척대학교 공동실험실습관에 의뢰하였다.
3. 실험결과
3.1 플로우 & 응결시간
Fig. 3의 플로우 측정결과 그래프에서 H1, H2의 시편 모두 상온･저온 환경에서의 Flow 값이 KS F 4044(KATS 2019a) 기준인 300 mm 이상을 충족하는 것을 확인하였으며 일반 포틀랜드 시멘트 플로우보다 높은 유동성을 보임을 확인할 수 있다.
이는 Park and Ki(2017)에 기술된 내용과 유사하게 알루미나 시멘트 그라우트 내 석고가 사용될 시 Flow 값이 증가하는 경향을 보인다(Park and Ki 2017).
다음 Fig. 4는 그라우트 H1, H2의 양생 조건에 따른 응결시간 실험 결과이다.
Fig. 4 그래프에서, 20 °C의 RT 환경에서 양생할 경우 H1은 4시간 30분, H2는 2시간 이내에 초결이 발생하는 것을 확인할 수 있었으며 종결 또한
H1 6시간, H2 4시간 내에 수화가 완료되는 것을 확인할 수 있었다.
Fig. 3 Flow test results measured at different time after mixing
Fig. 4 Test result of setting time
5 °C의 LT 환경에서 양생할 경우 H1, H2 시편 모두 수화 지연 현상이 발생하나 24시간 이내 응결이 마무리되는 것을 보아 1일차 압축강도를
충분히 확보할 수 있을 것으로 사료된다.
3.2 수화열
Fig. 5는 양생온도가 그라우트의 수화반응에 미치는 영향을 조사하기 위해 수행된 그라우트 H1, H2의 수화열 실험결과 그래프이다.
실험결과, 그라우트 배합 및 양생 환경과 관계없이 H1, H2 그라우트에서 초기 1시간 이내에 수화반응이 빠르게 진행되어 높은 피크 값을 갖는 것을
확인할 수 있었으며, 이는 알루미나 시멘트 기반 그라우트의 주 성분인 CaO와 Al2O3의 빠른 수화반응으로 초기 높은 수화발열량을 보이는 것으로
사료되며, 이후 24시간부터 피크는 완만한 곡선을 그리며 30시간을 기점으로 수화 발열량이 0에 수렴하는 형태로 감소하는 추세를 보였다. 이러한 감소
추세는 Ettringite 생성에 필요한 석고가 소진됨에 따라 나타난다는 기존 연구 결과와 일치한다(Jawed et al. 1983; Gartner and Gaidis 1989; Gu and Beaudoin 1997).
결과적으로, H2 시편은 H1 시편 대비 10~12 % 적은 발열량을 보였으며 양생 온도가 낮아짐에 따라 발열량이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
해당 실험을 통해 5 °C 환경에서의 수화열은 10 °C 시편 대비 약 -2 % 낮은 발열량을 보일 것으로 예상되나 정확한 측정값을 위해 추가적인
실험이 필요할 것으로 판단된다(Zhou et al. 2019).
Fig. 5 Heat of hydration at different temperature
3.3 휨 강도 및 압축강도
Fig. 6은 담수에서 양생한 RT, LT 시편의 휨 강도와 압축강도 그래프이며, Fig. 7은 해수에서 양생한 RT, LT 시편의 휨 강도, 압축강도 그래프이다.
Fig. 6(a), Fig. 7(a)에서 28일차 휨 강도를 보면, LT환경에서 시편을 양생할 경우 H1에서 -7 %, H2에서 -2.8 %의 강도 저하 현상이 발생하였으며, SW 환경에서
양생할 경우 H1; -6.3 %, H2; -12.5 %의 강도 저하 현상이 발생하였으며 SW 환경에서 양생할 시 온도 조건에 따른 강도저하 현상이
더 높게 나타났다.
Fig. 6 Compressive strength of the specimens cured in tap water
Fig. 7 Compressive strength of the specimens cured in sea water
Fig. 6(b)와 Fig. 7(b)의 압축강도 실험결과에서도 휨 강도와 동일하게 LT 환경에서 시편을 양생할 경우 H1에서 -6.1 %, H2에선 -6.5 %의 강도 저하 현상이 나타났다.
이와 동일하게 SW 환경에서도 H1은 -22.6 %, H2는 -25.5 %의 강도 저하 현상이 발생하였다.
다만, TW 조건에서의 온도에 따른 강도 변화는 Husem and Gozutok(2005)의 연구결과와 유사하게 고강도 콘크리트의 경우 복합체의 조직이 일반 콘크리트에 비해 견고하므로 콘크리트 표면에 존재하는 양생수의 침투가 어려워 양생
온도에 따른 강도 저하는 크게 차이가 나지 않는다는 것과 저온에서 양생할 경우 초기 7일까지 수화지연이 발생하여 강도 발현이 더디게 나타났다는 결론에
부합한다(Husem and Gozutok 2005).
SW 환경에서 H1, H2 모두 강도 저하 현상이 발생하나 H2의 경우에는 LT, SW 환경에서도 풍력발전기 그라우트 최소 설계기준(DNV-GL)
80 MPa를 만족하는 것을 확인하였다. 하지만 H1의 경우 양생수(TW, SW)에 따라 압축강도에 미치는 영향이 ±18 % 수준으로 높게 나타나며
H2 대비(±5 %) 해수로 인한 영향이 큰 것으로 확인된다.
이는 H1 내 CaO/Al2O3, Al2O3/SO3 비율이 H2에 비해 낮기 때문에, 외부에서 유입되는 해수 내 염화물, 황산염, 나트륨에 대한 저항성이
더 낮아 압축강도 발현에 어려움을 겪은 것으로 추정된다. 따라서 SW 양생에 따른 내구성(황산염 침식, 장기강도) 평가가 추가로 수행되어야 할 것으로
판단된다(Kaushik and Islam 1995; Lorenzo et al. 2003; Mohammed et al. 2004; Yiğiter et al. 2007; Hong et al. 2011; Etxeberria et al. 2016).
3.4 SEM 및 XRD 분석
양생수(TW, SW), 양생온도(RT, LT)에 따른 수화 반응물질을 관찰하기 위해 SEM, XRD 분석을 진행하였으며 SEM 측정은 Hitachi사의
S-4300, 15kv, XRD 측정은 Scan range(10~ 80°), Scan rate(2°/min) 조건에서 진행되었다.
Fig. 8은 TW, SW에서 양생한 H1, H2 시편의 SEM, XRD 결과이다. SEM image를 봤을 때 양생 조건에 상관없이 모든 시편에서 Ettringite가
생성된 것을 확인할 수 있었으며, 그 외 사각형 및 판상형의 수화 반응 물질이 형성된 것을 확인할 수 있었다. Ettringite를 제외한 수화 반응
물질들은 기존 문헌을 바탕으로 식별하기에 어려움이 있어 많은 연구자들의 관심이 필요할 것으로 판단된다(Moon et al. 2001; Hong et al. 2011; Mehta and Monteiro 2014; Lee and Ann 2018).
Fig. 8 SEM image, XRD pattern of hydration products
Fig. 8의 수화 반응 물질 XRD 결과에서 Fig. 2의 원 재료 XRD와 비교하였을 때, 담수의 경우 H1, H2에서 Dolomite가 Anhydrite보다 더 많이 소비된 것을 확인할 수 있었다.
해수의 환경에서는 H1의 경우 Dolomite와 Anhydrite이 비슷하게 소비되나, H2의 경우 Anhydrite가 더 많이 소비되는 것을 확인하였다.
Gypsum과 비교하였을 땐, 양생 조건(TW, SW)에 상관없이 H1에서 Dolomite, H2에선 Gypsum이 더 많이 소비되는 것을 확인할
수 있었다.
이를 통해, H1의 경우 양생 조건(TW, SW)에 상관없이 Anhydrite, Gypsum 대비 Dolomite의 소비가 더 높게 발생하나, H2의
경우 대체적으로 Dolomite 대비 Anhydrite, Gypsum의 소모량이 더 높게 발생하였다.
이는, Gypsum의 영향으로 Dolomite가 H1 내에서 반응하는 물질로 작용하고 H2 내에선 Filler 역할을 하는 것으로 추정되며 Xu et al.(2019)의 선행 연구와 유사한 경향을 보이는 것을 확인할 수 있다(Xu et al. 2019).
4. 결 론
국내에서 개발된 고강도 그라우트의 해상 시공 적용 가능성을 파악하기 위해 국내 해상 환경과 유사한 조건 에서의 실험을 수행하였으며 그 결과는 아래와
같다.
1) 그라우트 배합 및 양생 온도가 일반적인 시공 환경 수준(5~20 °C)일 때, KS F 4044에서 요구하는 플로우 요건을 만족함을 확인 하였다.
하지만 응결시간은5 °C 환경에서 종결이 지연(11~19시간) 되어 KS기준(종결 10시간 이내)을 충족하지 못하는 것을 확인하였으나, 1일 압축강도가
38.5~69.7 MPa 수준이므로 배합 및 양생온도가 초기강도 확보에 큰 영향을 미치지 않을 것으로 추정된다.
2) H1 압축강도는 양생수(TW, SW)에 따라 크게 영향(±18 %)을 받으나, H2의 경우 양생수가 압축강도에 미치는 영향은 미비한 수준(±5
% 이내)으로, 이는 H2의 CaO/Al2O3, Al2O3/SO3 비율이 H1보다(각 38.3 %, 58.2 %) 높기 때문인 것으로 추정된다.
3) SEM, XRD 분석을 통해 알루미나 시멘트 그라우트의 수화 생성물로 Ettringite를 확인할 수 있었으나, 그 외의 수화생성물은 포틀랜드
시멘트의 수화생성물과 상이하여 포틀랜드 시멘트 콘크리트 관련 지식을 검증없이 적용하기에는 어려움이 있을 것으로 판단된다.
4) 실험결과를 바탕으로, H2는 실제 해상환경과 동일하거나 유사한 환경에서도 역학적 성능을 충족할 수 있을 것이라 기대되나, 현장 조건의 수화온도가
역학적 성능에 미치는 영향은 확인할 필요가 있다.
감사의 글
본 연구는 2022년도 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구과제입니다(No. 20213030020110).
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